输送管道中频感应加热双场耦合及优化设计
本文关键词:输送管道中频感应加热双场耦合及优化设计
更多相关文章: 中频感应加热 电磁场 温度场 涡流场 优化设计
【摘要】:为了提高石油、天然气等输送管道的质量,本文针对输送管道中频感应加热热处理工艺参数优化问题进行了研究。利用COMSOL软件建立了输送管道中频感应加热的磁-热双场耦合仿真模型,分析了管道工件内部电磁场,涡流场和温度场的变化规律,获得了感应加热的各主要参数对加热效果的影响,探索了感应器设计的指导原则和工艺参数的改进措施。本文的研究内容主要包括:首先在电磁场理论和传热学原理的基础上,运用相量法建立了输送管道感应加热的不均匀内热源模型,解释了管道加热温度分布不均匀的问题。同时引入磁矢位建立了感应加热的电磁场数学模型和温度场数学模型。然后结合输送管道中频感应热热处理的特点,建立了输送管道和感应线圈的二维轴对称计算模型,设置了电磁场和温度场的边界条件,并对该模型进行了有限元网格划分。为了更好的模拟管道在中频感应加热过程中温度场、电磁场和涡流场的变化规律,与传统采用定值热物理参数的有限元分析不同,本文所采用热物理参数是随温度变化的。在此基础上,获得了热影响区的电磁场和温度场分布情况,并研究了中频感应加热电参数(电流,频率)和线圈结构参数等对输送管道温度场的影响。最后进行实际工况下输送管道中频感应加热试验,并根据试验所采集的数据验证仿真规律的准确性,综合所得的规律来指导中频感应加热工艺参数的优化设计。结果表明:提高频率、增大输入电流、增加线圈匝数以及减小空气间隙都可以提高加热效果,最后的优化方案合理可行。
【关键词】:中频感应加热 电磁场 温度场 涡流场 优化设计
【学位授予单位】:天津工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TE973
【目录】:
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第一章 绪论9-17
- 1.1 课题研究的目的和意义9-10
- 1.2 国内外感应加热数值模拟的研究现状10-15
- 1.2.1 国外感应加热数值模拟的研究现状10-13
- 1.2.2 国内感应加热数值模拟的研究现状13-15
- 1.3 课题的主要研究内容15-16
- 1.4 本章小结16-17
- 第二章 中频感应加热的基本理论17-29
- 2.1 引言17
- 2.2 中频感应加热的工作原理17-18
- 2.3 中频感应加热的电磁场理论分析18-27
- 2.3.1 电磁感应和涡流热效应18-19
- 2.3.2 集肤效应和集肤深度19-23
- 2.3.3 邻近效应和圆环效应23-24
- 2.3.4 冷态涡流和热态涡流的透入深度24-25
- 2.3.5 透入式加热和传导式加热25-27
- 2.4 本章小结27-29
- 第三章 中频感应加热的有限元分析29-45
- 3.1 引言29
- 3.2 电磁场有限元分析29-32
- 3.2.1 基于磁矢位的电磁场分析29-30
- 3.2.2 电磁场的数学模型30-32
- 3.3 温度场的有限元分析32-35
- 3.3.1 热传导32
- 3.3.2 对流换热32-33
- 3.3.3 热辐射33
- 3.3.4 温度场的数学模型33-35
- 3.4 感应加热的有限元建模35-43
- 3.4.1 感应加热的建模分析步骤35-36
- 3.4.2 建立几何模型36-37
- 3.4.3 材料的热物性参数37-39
- 3.4.4 边界条件及网格划分39-43
- 3.5 本章小结43-45
- 第四章 中频感应系统的数值计算与分析45-57
- 4.1 引言45
- 4.2 总体分析45-51
- 4.2.1 电磁场计算结果分析45-49
- 4.2.2 温度场计算结果分析49-51
- 4.3 中频感应加热过程中各参数对加热效果的影响51-56
- 4.3.1 电参数对加热效果的影响51-53
- 4.3.2 线圈结构参数对加热效果的影响53-56
- 4.4 本章小结56-57
- 第五章 输送管道中频感应加热试验57-71
- 5.1 引言57
- 5.2 试验系统的搭建57-61
- 5.3 中频加热试验数据分析61-65
- 5.3.1 电流频率61
- 5.3.2 输入电流61-62
- 5.3.3 空气间隙62-63
- 5.3.4 线圈螺距63
- 5.3.5 线圈线径63-64
- 5.3.6 线圈匝数64-65
- 5.4 中频感应器的优化设计与试验分析65-69
- 5.4.1 电流频率的选择65-66
- 5.4.2 感应加热器主要尺寸的确定66-68
- 5.4.3 输入电流的确定68
- 5.4.4 优化设计参数与试验68-69
- 5.5 本章小结69-71
- 第六章 总结与展望71-73
- 参考文献73-77
- 发表论文77-79
- 致谢79
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